小型轮式搬运机器人设计-第05章 大臂结构设计

第05章大臂结构设计

手臂部件是机械手的主要握持部件。它的作用是支撑腕部和手部(包括工件或工具)，并带动它们作空间运动。

臂部运动的目的:把手部送到空间运动范围内的任意一点。如果改变手部的姿态(方位)，则用腕部的自由度加以实现。因此，一般来说臂部具有三个自由度才能满足基本要求，即手臂的伸缩、左右回转和升降(或俯仰)运动。

手臂的各种运动通常用驱动机构和各种传动机构来实现，从臂部的受力情况分析，它在工作中既直接承受腕部、手部和工件的静、动载荷，而且自身运动有较多，故受力复杂。因而，它的结构、工作范围、灵活性以及抓种大小和定位精度等直接影响机械手的工作性能。

5.1臂部设计的基本要求

臂部设计首先要实现所要求的运动，为此，需满足下列各项基本要求。

(1)臂部应承载能力大、刚度好、自重轻

对于机械手臂部或机身的承载能力，通常取决于其刚度。一般结构上较多采用悬伸梁形式。显然伸缩臂杆的悬伸长度愈大，则刚度愈差。而且其刚度随着臂杆的伸缩不断变化。对机械手的运动性能、位置精度和负荷能力等影响很大。为提高刚度，除尽可能缩短臂杆的悬伸长度外，尚应注意以下几个方面：

1)根据受力情况，合理选择截面形状和轮廓尺寸

臂部和机身通常既受弯曲(而且不仅是一个方向的弯曲)，也受扭转，应选用抗弯和抗扭刚度较高的截面形状。

2)提高支承刚度和合理选择支承建的距离

臂杆或机身的变形量不仅与本身刚度有关，而且与支承间的刚度和支承间的距离有很大关系。

要提高支承刚度，除从支座的结构形状、底板的刚度，以及支座与底板的连接刚度等方面考虑外，特别注意提高配合面间的接触刚度。

3)合理布置作用力的位置和方向

在设计臂部时应结合具体受力情况，设法使各作用力引起的变形相互抵消。

4)注意简化结构

在设计臂部时，元件越多，间隙越大，刚性就越低，因此应尽可能使结构简单，

要全面分析各尺寸链，在要求高的部位合理确定调节补偿环节，以减少重要部件的间隙，从而提高刚度。

5)提高配合精度

水平放置的手臂，要增加导向杆的刚度，同时提高配合精度和相对位置精度，使导向杆承受部分或大部分自重和抓取重量。

(2)臂部运动速度要高、惯性要小

机械手手臂的运动速度是机械手的主要参数之一，它反映机械手的生产水平，一般根据生产节拍的要求来决定。确定了生产节拍和行程范围，就确定了手臂的运行速度。在一般情况下，手臂的移动和回转、俯仰均要求匀速运动，但在手臂的启动和终止瞬间运动是变化的，为了减少冲击，要求启动时间的加速度和终止前减速度不能太大，否则引起冲击和振动。

为减少转动惯量，应采取以下措施:

1)减少手臂运动件的重量，采用铝合金等轻质高强度材料。

2)减少手臂运动件的轮廓尺寸。

3)减少回转半径，在安排机械手动作顺序时，先缩后回转，尽可能在较小的前伸位置下进行回转动作。

4)驱动系统中设有缓冲装置。

(3)手臂动作应灵活

为减少手臂运动件之间的摩擦阻力，尽可能用滚动摩擦代替滑动摩擦。

(4)位置精度要高

一般来说，直角和圆柱坐标式机械手位置精度较高;关节式机械手的位置最难控制，故精度差;在手臂上加设定为装置，能较好地控制位置精度，检测装置最好装在最后的运动环节以减少或消除传动、啮合件的间隙。

除此之外，要求机械手通用性好，能适合多种作业的要求;工艺性好，便于加工和安装;用于热加工的机械手，还要考虑隔热、冷却；用于作业区粉尘大的机械手还要设置防尘装置等。

这些要求往往是相互制约的，设计时应全面分析各方面要求，综合考虑。